EP3707878B1 - Iot computer system and arrangement having such an iot computer system and an external system - Google Patents
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Definitions
- a possible application scenario of the arrangement shown with the IoT computer system 1 and the external devices 13, 14, 15, 16 is, for example, a parking lot system with a barrier system.
- the webcam 13 records license plates of motor vehicles that enter or leave the parking system.
- the image data from the webcam 13 is sent to the second virtual operating environment 3 within the physical IoT computer system 1 via the network connection 9.
- the image data of the webcam 13 is processed using one or more virtual applications of an artificial intelligence (AI). This can, for example, be an extraction of letters and numbers from the image data of the webcam 13 and the provision of the Include letters and numbers as a character string.
- This character string is transferred to the third virtual operating environment 4 within the physical IoT computer system 1 via the network connection 5.
- AI artificial intelligence
- the virtual operating environments 3 and 4 can also be logically different from each other be separated to prevent data misuse between these operating environments.
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Description
Die Erfindung betrifft ein IoT-Edge-Computersystem, sowie eine Anordnung mit einem solchen IoT-Edge-Computersystem und einem externen System bzw. Gerät, mit dem dieses IoT-Computersystem verbunden ist.The invention relates to an IoT edge computer system, as well as an arrangement with such an IoT edge computer system and an external system or device to which this IoT computer system is connected.
Computersysteme finden gerade in der Realisierung von Automatisierungs- und Prozessierungsaufgaben immer stärkere Bedeutung. Mit wachsender Verknüpfung und Anzahl von smarten (End-)Geräten und kompakten Systemen, z.B. Sensoren oder Verarbeitungs- und Steuergeräten, die an das Internet angebunden sind (sogenanntes Internet-of-Things, kurz IoT), wächst auch die Menge an Daten, die von den einzelnen Systemen übertragen, verarbeitet, prozessiert und zwischen den Systemen oder zwischen einem Client-System und einem Host-System ausgetauscht werden müssen. Hierzu bedarf es immer stärkerer Rechenperformance bzw. "Intelligenz".Computer systems are becoming increasingly important, especially in the implementation of automation and processing tasks. With the growing connection and number of smart (end) devices and compact systems, e.g. sensors or processing and control devices that are connected to the Internet (so-called Internet of Things, or IoT for short), the amount of data is also growing must be transferred, processed, processed by the individual systems and exchanged between the systems or between a client system and a host system. This requires ever greater computing performance or “intelligence”.
Neben Datenzentren bzw. Cloud-Diensten (Cloud-Servern) als solchen bildet das sogenannte Edge-Computing einen vielversprechenden Ansatz zur Verknüpfung und Anbindung von IoT-Geräten bzw. zur Prozessierung der von diesen generierten Daten. Dabei wird die Rechenperformance bzw. "Intelligenz" vom entfernten Datenzentrum bzw. Cloud-Dienst hin in die unmittelbare Nähe ("at the edge") der IoT-Geräte, d.h. an oder in die Nähe von deren Einsatzort, verbracht, um direkt "vor Ort" die Daten zu erfassen, zu verarbeiten, auszuwerten, etc. Dadurch kann eine große Menge an Daten direkt am Einsatzort verarbeitet werden. Datenzentren bzw. Cloud-Dienste sind dann lediglich für die Vorhaltung und weitere Prozessierung eines ggf. reduzierten Bruchteils der Daten oder der entsprechend vorprozessierten Informationen notwendig. Vorteile hierbei sind z.B. eine Reduzierung der Datenhaltungskosten bzw. Performancekosten, die für die Nutzung der Infrastruktur eines Datenzentrums oder eines Cloud-Dienstes eines entsprechenden Providers anfallen, sowie eine Reduzierung der notwendigen Bandbreite zur Übertragung von entsprechenden Daten.In addition to data centers or cloud services (cloud servers) as such, so-called edge computing represents a promising approach to linking and connecting IoT devices or to processing the data generated by them. The computing performance or "intelligence" is transferred from the remote data center or cloud service to the immediate vicinity ("at the edge") of the IoT devices, ie at or near their place of use, in order to be directly "in front of them". Location" to collect, process, evaluate the data, etc. This means that a large amount of data can be processed directly at the place of use. Data centers or cloud services are then only necessary for the storage and further processing of a possibly reduced fraction of the data or the corresponding pre-processed information. Advantages here include, for example, a reduction in data storage costs or performance costs that arise for using the infrastructure of a data center or a cloud service from a corresponding provider, as well as a reduction in the bandwidth required to transmit the corresponding data.
Zur Realisierung eines derartigen Edge-Computings ist ein sogenanntes IoT-Computersystem bzw. Edge-Computersystem erforderlich. Dabei handelt es sich um ein (speziell für diese Zwecke) eingerichtetes und dimensioniertes Computersystem. Eine wichtige Anforderung ist z.B. ein Dauerbetrieb (sogenannter 24/7-Betrieb) oder ein verlässlicher Betrieb auch an exponierten und ggf. extremen Einsatzorten mit herausfordernden Umweltbedingungen (z.B. sehr kalte, nasse, heiße oder staubige Einsatzorte). Dennoch soll ein Edge-Computersystem idealerweise kompakt aufgebaut sein und nur wenig Bau- bzw. Installationsraum benötigen. Ein attraktives Anwendungsgebiet für Edge-Computing ist z.B. die Anwendung in industriellen Anlagen (sogenannte "Industrie 4.0"), in denen Unmengen an Sensordaten, Systemdaten, Anlagendaten, Prozessdaten, Steuerdaten und Kommunikationsdaten (um nur einen Ausschnitt zu nennen) anfallen. Hier sind vielerlei Anwendungen denkbar.To implement such edge computing, a so-called IoT computer system or edge computer system is required. This is a computer system set up and dimensioned (specifically for these purposes). An important requirement is, for example, continuous operation (so-called 24/7 operation) or reliable operation even in exposed and possibly extreme locations with challenging environmental conditions (e.g. very cold, wet, hot or dusty locations). Nevertheless, an edge computer system should ideally have a compact design and require little construction or installation space. An attractive area of application for edge computing is, for example, the application in industrial systems (so-called " Industry 4.0"), in which huge amounts of sensor data, system data, plant data, process data, control data and communication data (to name just a few) are generated. Many applications are conceivable here.
Eine Herausforderung bei der Verarbeitung verschiedenster Daten und Informationen in einem Edge-Computersystem besteht darin, dass in dem Edge-Computersystem unter Umständen verschiedenste Informations- und Datentypen zusammenlaufen, die jedoch für völlig verschiedene Benutzergruppen bestimmt, erlaubt und vorgesehen sind. Eine sehr wichtige Rolle spielt hier die Datensicherheit und Datenvertraulichkeit. Bei Einsatz eines Edge-Computersystems an einem bestimmten Einsatzort werden beispielsweise 1) Daten des Computersystems selbst, wie z.B. Telemetriedaten, insbesondere Maschinendaten, Regelgrößen, Messwerte oder Parameter generiert, aber auch 2) Daten, die in Zusammenhang mit der Verwendung des Edge-Computersystems an dessen Einsatzort stehen, z.B. Sensordaten, Steuerdaten, Anlagendaten, personenbezogene Daten oder Kommunikationsdaten.One challenge when processing a wide variety of data and information in an edge computer system is that the edge computer system may contain a wide variety of information and data types, but they are intended for completely different user groups. are permitted and provided for. Data security and data confidentiality play a very important role here. When using an edge computer system at a specific location, for example, 1) data from the computer system itself, such as telemetry data, in particular machine data, controlled variables, measured values or parameters, are generated, but also 2) data that is related to the use of the edge computer system its place of use, e.g. sensor data, control data, system data, personal data or communication data.
Die Daten von Typ 1) sind z.B. für den Hersteller bzw. IT-Dienstleister des Edge-Computersystems bzw. der Edge-Computersystemlösung wichtig. Diese Daten können z.B. für eine sogenannte prädiktive Wartung (sogenannte "predictive maintenance") des Edge-Computersystems zur Verbesserung einer Ausfallsicherheit oder Wartung bzw. zur besseren Kompensation eines tatsächlichen Ausfalls herangezogen werden.The data of type 1) is important, for example, for the manufacturer or IT service provider of the edge computer system or the edge computer system solution. This data can be used, for example, for so-called “predictive maintenance” of the edge computer system to improve reliability or maintenance or to better compensate for an actual failure.
Die Daten von Typ 2) sind z.B. für den Betreiber einer Anlage unter Einsatz des Edge-Computersystems bzw. der Edge-Computersystemlösung wichtig. Diese Daten entstehen im laufenden Betrieb oder werden für diesen herangezogen. Entsprechende Daten von Typ 1) oder Typ 2) können daher für die jeweiligen Berechtigten stark vertraulich sein und sollen bzw. müssen ggf. vor einem Zugriff durch jeweils nichtberechtigte Benutzergruppen geschützt werden. Es können hier auch gesetzliche Regelungen oder Erfordernisse eines Datenschutzes greifen.The data of type 2) is important, for example, for the operator of a system using the edge computer system or the edge computer system solution. This data is created or used during ongoing operations. Corresponding data of type 1) or type 2) can therefore be highly confidential for the respective authorized parties and should or must be protected from access by unauthorized user groups. Legal regulations or data protection requirements may also apply here.
Herkömmliche Lösungen bei Einsatz von Datenzentren bzw. Cloud-Diensten sehen lediglich ein Sammeln sämtlicher Daten am Einsatzort, Transferieren dieser Daten zu einem einzelnen Endpunkt, z.B. im Datenzentrum bzw. in der Cloud, und weiteres Aufsplitten der Daten und Weiterverteilen vor, z.B. durch sogenannte Cloud-to-Cloud-Verbindungen. Diese Lösungen bieten jedoch vielfach lediglich einen unzureichenden Schutz gegen unerlaubten Zugriff auf sensible bzw. vertrauenswürdige Daten. Auch sind Datenzentren bzw. Cloud-Dienste ein attraktives Ziel von Cyber-Angriffen, weil an diesen Endpunkten sämtliche Daten zusammenlaufen. Außerdem bringen diese Lösungen die oben im Zusammenhand mit Datenzentren bzw. Cloud-Diensten erläuterten Nachteile mit sich.Conventional solutions using data centers or cloud services simply involve collecting all the data at the point of use and transferring this data to a single location Endpoint, e.g. in the data center or in the cloud, and further splitting of the data and further distribution, e.g. through so-called cloud-to-cloud connections. However, these solutions often only offer inadequate protection against unauthorized access to sensitive or trustworthy data. Data centers and cloud services are also an attractive target for cyber attacks because all data converges at these end points. In addition, these solutions bring with them the disadvantages explained above in connection with data centers or cloud services.
Die
Die
Die
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Edge-Computersystem der eingangs erläuterten Art zu beschreiben, das eine optimale Datenverarbeitung für IoT-Anwendungen, bei gleichzeitig verbesserter Datensicherheit sensibler bzw. vertrauenswürdiger Daten für unterschiedliche Benutzergruppen des Computersystems ermöglicht.It is the object of the invention to describe an edge computer system of the type explained at the beginning, which enables optimal data processing for IoT applications, while at the same time improving data security of sensitive or trustworthy data for different user groups of the computer system.
Diese Aufgabe wird durch ein Edge-Computersystem gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den zugehörigen Unteransprüchen offenbart.This task is solved by an edge computer system according to claim 1. Further developments and refinements are disclosed in the associated subclaims.
In dem Edge-Computersystem sind eine erste virtuelle Betriebsumgebung und eine zweite virtuelle Betriebsumgebung eingerichtet. Die virtuellen Betriebsumgebungen sind logisch voneinander getrennt. "Logische Trennung" bedeutet dabei, dass die eine Betriebsumgebung die andere Betriebsumgebung nicht ansprechen, geschweige denn eine (virtuelle) Verbindung/Netzwerkverbindung zu dieser aufbauen kann. Die virtuellen Betriebsumgebungen können z.B. als virtuelle Maschinen eingerichtet sein. Die virtuellen Betriebsumgebungen können derart implementiert sein, dass sie sich jeweils wie ein vollständiges/eigenständiges Computersystem (virtuelles Computersystem) verhalten.A first virtual operating environment and a second virtual operating environment are set up in the edge computer system. The virtual operating environments are logically separated from each other. “Logical separation” means that one operating environment cannot address the other operating environment, let alone establish a (virtual) connection/network connection to it. The virtual operating environments can be set up as virtual machines, for example. The virtual operating environments can be implemented in such a way that they each behave like a complete/independent computer system (virtual computer system).
Bei einem derartigen Edge-Computersystem hat somit die eine Betriebsumgebung keinen Zugriff auf die andere Betriebsumgebung. Dadurch sind Daten, die in der einen Betriebsumgebung generiert bzw. verarbeitet werden, logisch von Daten getrennt, die in der anderen Betriebsumgebung generiert bzw. verarbeitet werden. Durch Virtualisierung und logische Trennung ("Sandboxing") der Betriebsumgebungen wird eine Trennung der Daten der einzelnen Betriebsumgebungen erzielt. Eine Virtualisierung der Betriebsumgebungen ermöglicht dennoch ein flexibles Einrichten und Anpassen des Edge-Computersystems an den jeweiligen Einsatzzweck. Eine Einrichtung logisch getrennter virtualisierter Betriebsumgebungen erlaubt somit eine Vereinigung von Vorteilen eines herkömmlichen Datenzentrums bzw. Cloud-Dienstes mit den Vorteilen eines Edge-Computers zur Prozessierung von Daten daran angeschlossener IoT-Geräte bei dennoch gewährleisteter Datensicherheit.In such an edge computer system, one operating environment therefore has no access to the other operating environment. This means that data that is generated or processed in one operating environment is logically separated from data that is generated or processed in the other operating environment. Virtualization and logical separation ("sandboxing") of the operating environments achieve a separation of the data from the individual operating environments. Virtualization of the operating environments still enables the edge computer system to be set up and adapted flexibly to the respective intended use. Setting up logically separate virtualized operating environments allows the advantages of a conventional data center or cloud service to be combined with the advantages of an edge computer for processing data from IoT devices connected to it, while still ensuring data security.
Auf diese Weise können Daten und Informationen verschiedenster Typen in einem IoT-Einsatzszenario durch das Edge-Computersystem performant und dennoch sicher und vor allem vor unbefugtem Zugriff geschützt erfasst, verarbeitet und weitertransportiert werden. Z.B. kann die eine virtuelle Betriebsumgebung Daten umfassen, die für eine erste Benutzergruppe, z.B. den Hersteller bzw. IT-Dienstleister des Edge-Computersystems, bestimmt sind, während die andere virtuelle Betriebsumgebung Daten umfassen kann, die für eine von der ersten Benutzergruppe verschiedene Benutzergruppe, z.B. den Betreiber einer Anlage unter Einsatz des Edge-Computersystems, bestimmt sind.In this way, data and information of various types can be recorded, processed and further transported by the edge computer system in an IoT application scenario in a high-performance yet secure manner and, above all, protected from unauthorized access. For example, a virtual operating environment can include data for a first User group, for example the manufacturer or IT service provider of the edge computer system, are determined, while the other virtual operating environment can include data that is intended for a user group different from the first user group, for example the operator of a system using the edge computer system are.
In diversen Ausgestaltungen des Edge-Computersystems sind die virtuellen Betriebsumgebungen jeweils über wenigstens eine virtuelle Netzwerkverbindung, insbesondere eine virtuelle Netzwerk-Bridge, jeweils einem Kommunikationsnetzwerk logisch zugeordnet. Die virtuellen Netzwerkverbindungen sind vorteilhaft derart konfiguriert, dass ein Verbindungsaufbau aus dem Kommunikationsnetzwerk, das einer der zwei virtuellen Betriebsumgebungen zugeordnet ist, in das Kommunikationsnetzwerk, das der anderen virtuellen Betriebsumgebung zugeordnet ist, verhindert wird. Auf diese Weise ist eine logische Trennung der virtuellen Betriebsumgebungen auf einfache Weise realisierbar. Durch eine entsprechende Konfiguration der virtuellen Netzwerkverbindungen wird eine logische Trennung der virtuellen Betriebsumgebungen eingerichtet. Es ist vorteilhaft kein Verbindungsaufbau aus dem Kommunikationsnetzwerk, das einer der zwei virtuellen Betriebsumgebungen zugeordnet ist, in das Kommunikationsnetzwerk, das der anderen virtuellen Betriebsumgebung zugeordnet ist, möglich. Somit kann sich auch eine Benutzergruppe, der Zugriff auf das eine Kommunikationsnetzwerk (d.h. die eine virtuelle Betriebsumgebung) gestattet ist, nicht mit dem anderen Kommunikationsnetzwerk (d.h. der anderen virtuellen Betriebsumgebung) verbinden.In various embodiments of the edge computer system, the virtual operating environments are each logically assigned to a communication network via at least one virtual network connection, in particular a virtual network bridge. The virtual network connections are advantageously configured in such a way that a connection establishment from the communication network that is assigned to one of the two virtual operating environments into the communication network that is assigned to the other virtual operating environment is prevented. In this way, a logical separation of the virtual operating environments can be easily achieved. By appropriately configuring the virtual network connections, a logical separation of the virtual operating environments is established. It is advantageously not possible to establish a connection from the communication network that is assigned to one of the two virtual operating environments to the communication network that is assigned to the other virtual operating environment. Thus, a user group that is permitted access to one communications network (ie the one virtual operating environment) cannot connect to the other communications network (ie the other virtual operating environment).
Eine Zuordnung einer jeweiligen virtuellen Betriebsumgebung zum entsprechenden Kommunikationsnetzwerk kann auf einfache Weise dadurch erfolgen, dass eine virtuelle Netzwerkverbindung, insbesondere eine virtuelle Netzwerk-Bridge, mit einem Netzwerk-Anschluss (Socket) der virtuellen Betriebsumgebung und einem Netzwerk-Anschluss (Socket) des zugehörigen Kommunikationsnetzwerkes konfiguriert wird. Auf diese Weise ist eine Datenverbindung von der virtuellen Betriebsumgebung in das Kommunikationsnetzwerk und umgekehrt möglich. Eine entsprechende Konfiguration kann z.B. mittels Software erfolgen. Z.B. kann eine (virtuelle) IP-Adresse oder ein IP-Adressraum des Kommunikationsnetzwerkes der virtuellen Betriebsumgebung zugeordnet werden, wobei eine Netzwerk-Vermittlung in der virtuellen Netzwerk-Bridge programmiert wird. Kurz gesagt wird die virtuelle Betriebsumgebung in das zugehörige Kommunikationsnetzwerk "eingehängt". Das andere Kommunikationsnetzwerk, in das die virtuelle Betriebsumgebung nicht "eingehängt" ist, ist logisch von dieser virtuellen Betriebsumgebung getrennt (und damit auch die andere virtuelle Betriebsumgebung).A respective virtual operating environment can be assigned to the corresponding communication network in a simple manner by associating a virtual network connection, in particular a virtual network bridge, with a network connection (socket) of the virtual operating environment and a network connection (socket) of the associated communication network is configured. In this way, a data connection from the virtual operating environment to the communication network and vice versa is possible. A corresponding configuration can be done, for example, using software. For example, a (virtual) IP address or an IP address space of the communication network can be assigned to the virtual operating environment, with a network switch being programmed in the virtual network bridge. In short, the virtual operating environment is “hooked” into the associated communications network. The other communication network, into which the virtual operating environment is not "mounted", is logically separated from this virtual operating environment (and thus also the other virtual operating environment).
In diversen Ausgestaltungen des Edge-Computersystems ist wenigstens eine der virtuellen Betriebsumgebungen vermittels der wenigstens einen, virtuellen Netzwerkverbindung an wenigstens eine physische Netzwerk-Schnittstelle angebunden. Die physische Netzwerk-Schnittstelle ist z.B. eine LAN-Schnittstelle oder eine USB-Schnittstelle. Auf diese Weise ist die virtuelle Betriebsumgebung mit physischen Netzwerk-Komponenten des Edge-Computersystems verbindbar. Die physische Netzwerk-Schnittstelle ist z.B. als I/O-Schnittstelle des physischen Edge-Computersystems eingerichtet. In diesem Fall umfasst das zugehörige Kommunikationsnetzwerk neben virtuellen Komponenten (insbesondere die virtuelle Betriebsumgebung und die virtuelle Netzwerkverbindung) auch physische Netzwerk-Komponenten. Die physische Netzwerk-Schnittstelle dient vorteilhaft zum Verbinden mit einem oder mehreren externen Geräten im IoT-Umfeld, in dem das Edge-Computersystem eingesetzt ist.In various embodiments of the edge computer system, at least one of the virtual operating environments is connected to at least one physical network interface by means of the at least one virtual network connection. The physical network interface is, for example, a LAN interface or a USB interface. In this way, the virtual operating environment can be connected to physical network components of the edge computer system. The physical network interface is set up, for example, as an I/O interface of the physical edge computer system. In this case, the associated communication network includes virtual components (in particular the virtual operating environment and the virtual network connection) also physical network components. The physical network interface advantageously serves to connect to one or more external devices in the IoT environment in which the edge computing system is deployed.
In diversen Ausgestaltungen können mehrere verschiedene physische Netzwerk-Schnittstellen vorgesehen sein, wobei die erste virtuelle Betriebsumgebung mit einer oder mehreren ersten physischen Netzwerk-Schnittstellen verbunden ist und die zweite virtuelle Betriebsumgebung mit einer oder mehreren zweiten physischen Netzwerk-Schnittstellen verbunden ist.In various embodiments, multiple different physical network interfaces may be provided, wherein the first virtual operating environment is connected to one or more first physical network interfaces and the second virtual operating environment is connected to one or more second physical network interfaces.
In diversen Ausgestaltungen ist auf dem Edge-Computersystem ein Basisbetriebssystem eingerichtet. Dieses kann z.B. ein Linux-System mit einer KVM-Infrastruktur (sogenannte "Kernelbased Virtual Machine") zur Virtualisierung und Steuerung der Betriebsumgebungen sein. Vermittels des Basisbetriebssystems ist die Konfiguration der virtuellen Netzwerkverbindungen vorgegeben. Das Basisbetriebssystem dient als Steuerkomponente für die virtuellen Netzwerkverbindungen und ist somit maßgebliche Komponente für die Konfiguration der logischen Trennung der virtuellen Betriebsumgebungen.In various embodiments, a basic operating system is set up on the edge computer system. This can be, for example, a Linux system with a KVM infrastructure (so-called “Kernel-based Virtual Machine”) for virtualization and control of the operating environments. The configuration of the virtual network connections is specified by the basic operating system. The base operating system serves as a control component for the virtual network connections and is therefore a key component for configuring the logical separation of the virtual operating environments.
In diversen Ausgestaltungen des Edge-Computersystems ist die Konfiguration der virtuellen Netzwerkverbindungen fest vermittels des Basisbetriebssystems vorgegeben. Das Edge-Computersystem ist vorteilhaft derart eingerichtet, dass eine Änderung der Konfiguration der virtuellen Netzwerkverbindungen durch die jeweiligen virtuellen Betriebsumgebungen bzw. aus einem jeweiligen Kommunikationsnetzwerk heraus verhindert wird. Die Konfiguration der virtuellen Netzwerkverbindungen kann somit vorteilhaft nicht durch die definierte Infrastruktur aus den virtuellen Betriebsumgebungen bzw. Kommunikationsnetzwerken geändert werden. Eine Vorgabe der Konfiguration ist lediglich durch das Basisbetriebssystems möglich. Eine Konfiguration der virtuellen Netzwerkverbindungen kann z.B. bei Einrichten bzw. Installation des Edge-Computersystems vorgegeben werden. Z.B. kann die Konfiguration der virtuellen Netzwerkverbindungen herstellerseitig vorgegeben werden.In various embodiments of the edge computer system, the configuration of the virtual network connections is predefined by the base operating system. The edge computer system is advantageously set up in such a way that a change in the configuration of the virtual network connections is prevented by the respective virtual operating environments or from a respective communication network. The The configuration of the virtual network connections can therefore advantageously not be changed by the defined infrastructure from the virtual operating environments or communication networks. The configuration can only be specified by the basic operating system. A configuration of the virtual network connections can be specified, for example, when setting up or installing the edge computer system. For example, the configuration of the virtual network connections can be specified by the manufacturer.
Vorteilhaft sind Konfigurationsdaten zur Konfiguration der virtuellen Netzwerkverbindungen in einem geschützten Bereich des Edge-Computersystems hinterlegt, wobei der Bereich gegen einen verändernden Zugriff durch die virtuellen Betriebsumgebungen bzw. aus den zugehörigen Kommunikationsnetzwerken heraus abgesichert ist. Eine derartige Absicherung kann z.B. durch einen Schreibschutz des geschützten Bereiches erfolgen. Der (Schreib-)Schutz kann derart eingerichtet sein, z.B. durch einen übergeordneten Benutzer (Superuser) vorgegeben werden, so dass der (Schreib- )Schutz nach Einrichten nicht durch Benutzer bzw. Programme oder Applikationen aufgehoben werden kann, die Zugriff/Berechtigungen hinsichtlich der virtuellen Betriebsumgebungen bzw. hinsichtlich der Kommunikationsnetzwerke haben. Der geschützte Bereich kann auch durch weitere Sicherheitsmaßnahmen, wie eine Verschlüsselung, Signierung, Authentifizierung über Schlüssel (Credentials), usw. abgesichert sein. Es ist denkbar, dass der geschützte Bereich in einem speziell (physisch und/oder logisch) abgesicherten Speicher(-Bereich) innerhalb des Edge-Computersystems eingerichtet ist. Auf diese Weise ist eine logische Trennung der virtuellen Betriebsumgebungen fest vorgegeben und kann nicht umgangen werden.Configuration data for configuring the virtual network connections is advantageously stored in a protected area of the edge computer system, the area being secured against changing access by the virtual operating environments or from the associated communication networks. Such protection can be achieved, for example, by write protection of the protected area. The (write) protection can be set up in such a way, for example by a higher-level user (superuser), so that the (write) protection cannot be canceled after it has been set up by users or programs or applications that have access/authorizations with regard to the virtual operating environments or with regard to communication networks. The protected area can also be secured by further security measures such as encryption, signing, authentication via keys (credentials), etc. It is conceivable that the protected area is set up in a specially (physically and/or logically) secured memory (area) within the edge computer system. In this way, a logical separation of the virtual operating environments is fixed and cannot be circumvented.
In diversen Ausgestaltungen des Edge-Computersystems ist das Basisbetriebssystem derart eingerichtet, dass ein Verbindungsaufbau jeweils aus einem der Kommunikationsnetzwerke, insbesondere aus den jeweiligen virtuellen Betriebsumgebungen, in das Basisbetriebssystem verhindert wird. Dies stellt eine weitere Sicherheitsmaßnahme gegen eine Manipulation des Edge-Computersystems zum Aushebeln der dargestellten Mechanismen dar. Ferner verhindert dies, dass eine etwaige Manipulation oder Störung innerhalb einer virtuellen Betriebsumgebung sich in eine andere virtuelle Betriebsumgebung hinein fortsetzt.In various embodiments of the edge computer system, the base operating system is set up in such a way that a connection from one of the communication networks, in particular from the respective virtual operating environments, to the base operating system is prevented. This represents a further security measure against manipulation of the edge computer system to override the mechanisms shown. Furthermore, this prevents any manipulation or disruption within a virtual operating environment from propagating into another virtual operating environment.
In diversen Ausgestaltungen des Edge-Computersystems weisen die virtuellen Betriebsumgebungen jeweils eine oder mehrere Firewalls auf. Diese sind eingerichtet einen Verbindungsaufbau von oder zu einer jeweiligen virtuellen Betriebsumgebung aus dem oder in das logisch zugeordnete Kommunikationsnetzwerk zu steuern. Die Firewalls können z.B. Filterregeln, insbesondere Port- und/oder IP-Adressfilterregeln vorgeben, die einen Verbindungsaufbau entsprechend steuern. Diese Filterregeln können durch die virtuellen Betriebsumgebungen vorgegeben werden. Auf diese Weise kann ein Zugriff auf die bzw. eine Ansprechbarkeit der virtuellen Betriebsumgebungen selektiv gesteuert werden. Somit sind die virtuellen Betriebsumgebungen gegen ungewollte oder gar schadhafte Zugriffe abgesichert. Optional können die Firewalls der virtuellen Betriebsumgebungen vermittels des Basisbetriebssystems gesteuert werden.In various embodiments of the edge computer system, the virtual operating environments each have one or more firewalls. These are set up to control the establishment of a connection from or to a respective virtual operating environment from or into the logically assigned communication network. The firewalls can, for example, specify filter rules, in particular port and/or IP address filter rules, which control connection establishment accordingly. These filter rules can be specified by the virtual operating environments. In this way, access to or responsiveness of the virtual operating environments can be selectively controlled. This means that the virtual operating environments are protected against unwanted or even malicious access. Optionally, the firewalls of the virtual operating environments can be controlled using the basic operating system.
In diversen Ausgestaltungen des Edge-Computersystems sind innerhalb der virtuellen Betriebsumgebungen jeweils eine oder mehrere virtuelle (Software-) Applikationen zur Bereitstellung vorbestimmter Funktionalitäten eingerichtet. Die Applikationen können z.B. funktionsspezifisch an ein oder mehrere Aufgaben bzw. Funktionalitäten von externen Geräten angepasst sein. Z.B. können durch die Applikationen Funktionalitäten wie ein Erfassen, Verarbeiten, Prozessieren, Zuordnen, Vergleichen, Extrahieren, Umwandeln, Exportieren, Importieren, o.ä. von Daten bereitgestellt werden. Die einzelnen virtuellen Betriebsumgebungen können hierfür z.B. spezielle Anwendungen/Applikationen einer künstlichen Intelligenz (artificial intelligence, AI) oder einer komplexen Datenverarbeitung, wie z.B. sogenannte CEP-Anwendungen (complex event processing) aufweisen.In various embodiments of the edge computer system, one or more virtual (software) applications are available within the virtual operating environments Provision of predetermined functionalities set up. The applications can, for example, be functionally adapted to one or more tasks or functionalities of external devices. For example, the applications can provide functionalities such as capturing, processing, processing, assigning, comparing, extracting, converting, exporting, importing, etc. of data. For this purpose, the individual virtual operating environments can, for example, have special applications/applications of artificial intelligence (AI) or complex data processing, such as so-called CEP applications (complex event processing).
In diversen Ausgestaltungen des Edge-Computersystems ist neben der ersten und zweiten virtuellen Betriebsumgebung wenigstens eine dritte virtuelle Betriebsumgebung eingerichtet. Die dritte virtuelle Betriebsumgebung ist mit einer der zwei virtuellen Betriebsumgebungen logisch verknüpft. Z.B. ist die dritte virtuelle Betriebsumgebung mit der zweiten virtuellen Betriebsumgebung logisch verknüpft, während sie von der ersten virtuellen Betriebsumgebung logisch getrennt ist. Die dritte virtuelle Betriebsumgebung kann vorteilhaft die von der zweiten virtuellen Betriebsumgebung bereitgestellte Funktionalität erweitern bzw. ergänzen. Z.B. ist es möglich, dass durch die zweite und dritte virtuelle Betriebsumgebung verschiedene Verarbeitungsebenen oder -stufen für eine Datenverarbeitung bereitgestellt werden, wobei die Daten zwischen der zweiten und dritten virtuellen Betriebsumgebung ausgetauscht werden. Diese Daten bleiben aber von Daten innerhalb der ersten virtuellen Betriebsumgebung logisch getrennt.In various embodiments of the edge computer system, at least one third virtual operating environment is set up in addition to the first and second virtual operating environments. The third virtual operating environment is logically linked to one of the two virtual operating environments. For example, the third virtual operating environment is logically linked to the second virtual operating environment, while it is logically separated from the first virtual operating environment. The third virtual operating environment can advantageously expand or supplement the functionality provided by the second virtual operating environment. For example, it is possible for the second and third virtual operating environments to provide different processing levels or stages for data processing, with the data being exchanged between the second and third virtual operating environments. However, this data remains logically separated from data within the first virtual operating environment.
Die dritte virtuelle Betriebsumgebung ist vorteilhaft über wenigstens eine virtuelle Netzwerkverbindung, insbesondere eine virtuelle Netzwerk-Bridge, mit der entsprechenden der zwei virtuellen Betriebsumgebungen (z.B. mit der zweiten Betriebsumgebung, siehe oben) logisch verknüpft. Zur Anbindung der dritten virtuellen Betriebsumgebung über die virtuelle Netzwerkverbindung gilt oben erläutertes zu den virtuellen Netzwerkverbindungen der ersten und zweiten Betriebsumgebung analog. Durch eine virtuelle Netzwerkverbindung zwischen der dritten Betriebsumgebung und der logisch mit dieser verknüpften weiteren Betriebsumgebung (z.B. die zweite Betriebsumgebung, siehe oben) ist ein (teilweise) virtuelles Kommunikationsnetz zwischen diesen beiden virtuellen Betriebsumgebungen eingerichtet, sodass die virtuellen Betriebsumgebungen miteinander und ggf. auch nach extern, z.B. mit externen Geräten, kommunizieren können.The third virtual operating environment is advantageously logically linked to the corresponding one of the two virtual operating environments (e.g. with the second operating environment, see above) via at least one virtual network connection, in particular a virtual network bridge. To connect the third virtual operating environment via the virtual network connection, the information explained above applies analogously to the virtual network connections of the first and second operating environments. Through a virtual network connection between the third operating environment and the further operating environment logically linked to it (e.g. the second operating environment, see above), a (partial) virtual communication network is set up between these two virtual operating environments, so that the virtual operating environments are connected to each other and, if necessary, externally , e.g. with external devices, can communicate.
In diversen Ausgestaltungen des Edge-Computersystems ist die erste virtuelle Betriebsumgebung als Hersteller-Umgebung eingerichtet zum Erfassen bzw. Verarbeiten bzw. Abfragen von (internen) Systemdaten des Edge-Computersystems oder von externen Systemen bzw. Geräten, insbesondere Maschinendaten, Regelgrößen, Messwerten oder Parametern. Durch die erste virtuelle Betriebsumgebung werden Telemetriedaten des Edge-Computersystems selbst oder von externen Systemen bzw. Geräten, die mit dem Edge-Computersystem verbunden sind, erfasst und verarbeitet. Die erste virtuelle Betriebsumgebung kann hierzu Komponenten, insbesondere Erfassungs-, Verarbeitungs- bzw. Abfrage-Komponenten, wie z.B. Sensoren, Applikationen, Management-Controller, Kernel, Busse usw. aufweisen oder von physischen Ressourcen des Edge-Computersystems heranziehen. Vermittels der ersten virtuellen Betriebsumgebung kann somit ein Hersteller auf einfache Weise Daten des Edge-Computersystems oder von externen Systemen bzw. Geräten sammeln und auswerten, z.B. für eine prädiktive Wartung. Die erste virtuelle Betriebsumgebung kann hierfür über eine physische Netzwerk-Schnittstelle an ein externes physisches Wartungs-Netzwerk angebunden sein. Dies kann z.B. ein OPC UA-Netzwerk sein (OPC UA steht für "Open Platform Communications Unified Architecture").In various embodiments of the edge computer system, the first virtual operating environment is set up as a manufacturer environment for recording, processing or querying (internal) system data of the edge computer system or external systems or devices, in particular machine data, controlled variables, measured values or parameters . The first virtual operating environment collects and processes telemetry data from the edge computing system itself or from external systems or devices connected to the edge computing system. For this purpose, the first virtual operating environment can have components, in particular acquisition, processing or query components, such as sensors, applications, management controllers, kernels, buses, etc., or can draw on physical resources of the edge computer system. Using the first virtual operating environment, a manufacturer can easily Collect and evaluate data from the edge computer system or external systems or devices, e.g. for predictive maintenance. For this purpose, the first virtual operating environment can be connected to an external physical maintenance network via a physical network interface. This can be, for example, an OPC UA network (OPC UA stands for "Open Platform Communications Unified Architecture").
In diversen Ausgestaltungen des Edge-Computersystems ist die zweite virtuelle Betriebsumgebung als Betreiber-Umgebung eingerichtet zum Erfassen bzw. Verarbeiten bzw. Steuern von (externen) Betriebsdaten von oder für externe Systeme bzw. Geräte, insbesondere Sensordaten, Steuerdaten, Anlagendaten, personenbezogene Daten, insbesondere biometrische Daten, oder Kommunikationsdaten von oder für die externen Systeme bzw. Geräte. Durch die zweite virtuelle Betriebsumgebung werden somit Daten von und zu externen Geräten, Anlagen oder Systemen verarbeitet, mit denen das Edge-Computersystem am Einsatzort verbunden ist. Die zweite virtuelle Betriebsumgebung kann hierzu Komponenten, insbesondere Erfassungs-, Verarbeitungs- bzw. Abfrage-Komponenten, wie z.B. Sensoren, Applikationen, Management-Controller, Kernel, Busse usw. aufweisen oder von physischen Ressourcen des Edge-Computersystems heranziehen. Vermittels der zweiten virtuellen Betriebsumgebung kann somit ein Betreiber des Edge-Computersystems die mit diesem verbundenen externen Komponenten bzw. Geräte seiner Anlage oder seines Systems steuern. Die zweite virtuelle Betriebsumgebung kann hierfür über eine physische Netzwerk-Schnittstelle an ein oder mehrere externe physische Steuer-Netzwerke angebunden sein. Diese können z.B. ein LAN-Netzwerk, USB-Netzwerk oder ein spezielles Steuerbus-Netzwerk, wie z.B. MODBUS, umfassen.In various embodiments of the edge computer system, the second virtual operating environment is set up as an operator environment for recording or processing or controlling (external) operating data from or for external systems or devices, in particular sensor data, control data, system data, personal data, in particular biometric data, or communication data from or for the external systems or devices. The second virtual operating environment processes data from and to external devices, systems or systems to which the edge computer system is connected at the site. For this purpose, the second virtual operating environment can have components, in particular acquisition, processing or query components, such as sensors, applications, management controllers, kernels, buses, etc., or can draw on physical resources of the edge computer system. Using the second virtual operating environment, an operator of the edge computer system can control the external components or devices of his system or system connected to it. For this purpose, the second virtual operating environment can be connected to one or more external physical control networks via a physical network interface. These can include, for example, a LAN network, USB network or a special control bus network such as MODBUS.
Vorteilhaft findet das hier erläuterte Edge-Computersystem Anwendung innerhalb einer Anordnung nach Patentanspruch 13. Die Anordnung weist das Edge-Computersystem der erläuterten Art sowie wenigstens ein externes System bzw. Gerät auf, mit dem das Edge-Computersystem verbunden ist. Die erste virtuelle Betriebsumgebung ist logisch mit dem externen System bzw. Gerät verknüpft. Die zweite virtuelle Betriebsumgebung kann logisch getrennt vom externen System bzw. Gerät eingerichtet sein. Alternativ kann die zweite virtuelle Betriebsumgebung ebenfalls logisch mit dem externen System bzw. Gerät verknüpft sein. Diese logische Verknüpfung ist vorteilhaft derart zu implementieren, dass keine manipulative Beeinträchtigung einer logischen Trennung der ersten und zweiten virtuellen Betriebsumgebungen möglich ist oder zumindest stark erschwert wird. Auf diese Weise bleibt die hier erläuterte Funktionalität des Edge-Computersystems erhalten. Z.B. kann vorgegeben sein, dass jeweils aus der ersten und zweiten virtuellen Betriebsumgebung an das externe System bzw. Gerät keine zu schützenden oder vertraulichen Daten herausgegeben werden, sondern lediglich Steuerdaten. Alternativ oder zusätzlich können jeweilige Verbindungen zwischen dem externen System bzw. Gerät und der jeweiligen ersten und zweiten virtuellen Betriebsumgebung speziell abgesichert sein. Hierfür kommen Sicherungsmaßnahmen, wie eine Verschlüsselung, Signierung, Protokollwechsel, Firewalls usw. in Betracht, um einen Zugriff auf vertrauliche Daten innerhalb einer der virtuellen Betriebsumgebungen durch die andere virtuelle Betriebsumgebung zu verhindern bzw. stark zu erschweren und eine logische Trennung der beiden Betriebsumgebungen zu gewährleisten.The edge computer system explained here is advantageously used within an arrangement according to
Das externen System bzw. Gerät kann z.B. ein Sensor, ein Steuergerät (z.B. eine speicherprogrammierbare Steuerung, SPS) oder ein Verarbeitungs-, Management- bzw. Datenserver, insbesondere ein Cloud-Server, oder eine Kombination solcher Systeme bzw. Geräte sein.The external system or device can be, for example, a sensor, a control device (e.g. a programmable logic controller, PLC) or a processing, management or data server, in particular a cloud server, or a combination of such systems or devices.
Die Anordnung kann vorteilhaft derart weitergebildet sein, dass das Edge-Computersystem mit zumindest einem weiteren externen System bzw. Gerät verbunden ist, wobei die zweite virtuelle Betriebsumgebung logisch mit dem weiteren externen System bzw. Gerät verknüpft ist. Die erste virtuelle Betriebsumgebung kann logisch getrennt vom weiteren externen System bzw. Gerät eingerichtet sein. Alternativ kann die erste virtuelle Betriebsumgebung ebenfalls logisch mit dem weiteren externen System bzw. Gerät verknüpft sein. Diese logische Verknüpfung ist vorteilhaft derart zu implementieren, dass keine manipulative Beeinträchtigung einer logischen Trennung der ersten und zweiten virtuellen Betriebsumgebungen möglich ist oder zumindest stark erschwert wird. Auf diese Weise bleibt die hier erläuterte Funktionalität des Edge-Computersystems erhalten. Hierzu können die oben erläuterten Maßnahmen analog angewendet werden.The arrangement can advantageously be developed in such a way that the edge computer system is connected to at least one further external system or device, with the second virtual operating environment being logically linked to the further external system or device. The first virtual operating environment can be set up logically separately from the other external system or device. Alternatively, the first virtual operating environment can also be logically linked to the further external system or device. This logical link is advantageously implemented in such a way that no manipulative impairment of a logical separation of the first and second virtual operating environments is possible or at least made much more difficult. In this way, the functionality of the edge computer system explained here is preserved. For this purpose, the measures explained above can be applied analogously.
Auch das weitere externe System bzw. Gerät kann z.B. ein Sensor, ein Steuergerät (z.B. eine speicherprogrammierbare Steuerung, SPS) oder ein Verarbeitungs-, Management- bzw. Datenserver, insbesondere ein Cloud-Server, oder eine Kombination solcher Systeme bzw. Geräte sein.The further external system or device can also be, for example, a sensor, a control device (e.g. a programmable logic controller, PLC) or a processing, management or data server, in particular a cloud server, or a combination of such systems or devices.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme einer Zeichnung im Folgenden näher erläutert.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment with the aid of a drawing.
Die Figur zeigt ein IoT-Computersystem 1. Das IoT-Computersystem kann auch als Edge-Computersystem bezeichnet werden. Das IoT-Computersystem 1 weist eine erste virtuelle Betriebsumgebung 2, eine zweite virtuelle Betriebsumgebung 3 und eine dritte virtuelle Betriebsumgebung 4 auf. Die virtuellen Betriebsumgebungen 2, 3, 4 sind z.B. als virtuelle Maschinen innerhalb des IoT-Computersystems 1 organisiert/eingerichtet.The figure shows an IoT computer system 1. The IoT computer system can also be referred to as an edge computer system become. The IoT computer system 1 has a first
Die virtuellen Betriebsumgebungen 2, 3, 4 können derart implementiert sein, dass sie sich jeweils wie ein vollständiges/eigenständiges Computersystem (virtuelles Computersystem) verhalten. Die virtuellen Betriebsumgebungen 2, 3, 4 stellen jeweils anwendungsspezifische Funktionalitäten für den Betrieb des IoT-Computersystems 1 bereit. Das IoT-Computersystem 1 ist mit diversen externen Geräten bzw. Systemen verbunden. Hierzu sind beispielhaft abgebildet eine Webcam 13, eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) 14, ein Management- bzw. Wartungs-Server 15 und ein Cloud-Server bzw. Cloud-Dienst 16. Die externen Geräte 13, 14, 15 und 16 können mit dem IoT-Computersystem 1 kommunizieren und mit diesem Daten austauschen.The
Die erste virtuelle Betriebsumgebung 2 ist als Hersteller-Umgebung eingerichtet zum Erfassen bzw. Verarbeiten bzw. Abfragen von internen Systemdaten des IoT-Computersystems 1, insbesondere Maschinendaten, Regelgrößen, Messwerten oder Parametern des IoT-Computersystems 1. Durch die erste virtuelle Betriebsumgebung 2 werden Telemetriedaten des IoT-Computersystems 1 selbst erfasst und verarbeitet. Die erste virtuelle Betriebsumgebung 2 weist hierzu virtuelle Komponenten, insbesondere Erfassungs-, Verarbeitungs- bzw. Abfrage-Komponenten, wie z.B. Sensoren, Applikationen, Management-Controller, Kernel, Busse usw. auf oder zieht diese von physischen Ressourcen des IoT-Computersystems 1 heran. Vermittels der ersten virtuellen Betriebsumgebung 2 kann somit ein Hersteller auf einfache Weise Daten des IoT-Computersystems 1, z.B. für eine prädiktive Wartung, sammeln und auswerten. Die erste virtuelle Betriebsumgebung 2 ist hierfür über virtuelle Netzwerkverbindungen, z.B. virtuelle Netzwerk-Bridges, 6 und 7 sowie über daran wiederum angebundene physische Netzwerk-Schnittstellen 11 und 12 an ein oder mehrere externe physische Wartungs- bzw. Management-Netzwerke angebunden. Die physischen Netzwerk-Schnittstellen 11 und 12 sind z.B. LAN-Schnittstellen des IoT-Computersystems 1. Zwischen der ersten virtuellen Betriebsumgebung 2 und den virtuellen Netzwerkverbindungen 6, 7, ist jeweils eine Firewall 17 zwischengeschaltet, die von der ersten virtuellen Betriebsumgebung 2 gesteuert wird und diese gegen unerlaubte Verbindungen aus bzw. in die externen physischen Wartungs- bzw. Management-Netzwerke absichert.The first
Über die Netzwerk-Schnittstelle 11 ist die erste virtuelle Betriebsumgebung 2 mit dem Management- bzw. Wartungs-Server 15 verbunden. Diese Verbindung kann z.B. ein OPC UA-Netzwerk sein. Der Management- bzw. Wartungs-Server 15 ist dabei z.B. ein OPC UA-Server. Über die Netzwerk-Schnittstelle 11 ist die erste virtuelle Betriebsumgebung 2 mit dem Cloud-Server bzw. Cloud-Dienst 16 verbunden. Auf diese Weise bilden die erste virtuelle Betriebsumgebung 2 sowie die Geräte 15 und 16 ein Kommunikationsnetzwerk (Herstellernetzwerk).The first
Die zweite virtuelle Betriebsumgebung 3 und die dritte virtuelle Betriebsumgebung 4 sind als gemeinsame Betreiber-Umgebung eingerichtet zum Erfassen bzw. Verarbeiten bzw. Steuern von externen Betriebsdaten von oder für die weiteren externe Systeme bzw. Geräte 13 und 14, insbesondere von Sensordaten, Steuerdaten, Anlagendaten, personenbezogenen Daten oder Kommunikationsdaten von oder für die externen Systeme bzw. Geräte 13, 14. Durch die zweite und dritte virtuelle Betriebsumgebung 3, 4 werden somit Daten von und zu den externen Geräten 13, 14 verarbeitet. Die zweite und dritte virtuelle Betriebsumgebung 3, 4 weisen hierzu virtuelle Komponenten, insbesondere Erfassungs-, Verarbeitungs- bzw. Abfrage-Komponenten, wie z.B. Sensoren, Applikationen, Management-Controller, Kernel, Busse usw. auf oder ziehen diese von physischen Ressourcen des IoT-Computersystems 1 heran. Vermittels der zweiten und dritten virtuellen Betriebsumgebung 3, 4 kann somit ein Betreiber des IoT-Computersystems 1 die mit diesem verbundenen externen Geräte 13, 14 seiner Anlage oder seines Systems steuern.The second
Die zweite virtuelle Betriebsumgebung 3 ist über eine oder mehrere virtuelle Netzwerkverbindungen, z.B. virtuelle Netzwerk-Bridges, 5 mit der dritten virtuellen Betriebsumgebung 4 logisch verbunden. Das bedeutet, dass die zweite und dritte Betriebsumgebung 3, 4 miteinander kommunizieren und Daten austauschen können. Ferner ist die zweite Betriebsumgebung 3 über eine oder mehrere virtuelle Netzwerkverbindungen (in der Figur nicht explizit dargestellt) sowie über eine daran wiederum angebundene physische Netzwerk-Schnittstelle 9 mit dem Gerät 13 verbunden. Die dritte virtuelle Betriebsumgebung 4 ist über eine oder mehrere virtuelle Netzwerkverbindungen, z.B. virtuelle Netzwerk-Bridges, 8 sowie über eine daran wiederum angebundene physische Netzwerk-Schnittstelle 10 mit dem Gerät 14 verbunden. Zwischen der zweiten virtuellen Betriebsumgebung 3 und der virtuellen Netzwerkverbindung 5 ist eine Firewall 17 zwischengeschaltet, die von der zweiten virtuellen Betriebsumgebung 3 gesteuert wird und diese gegen unerlaubte Verbindungen aus bzw. in die virtuelle Netzwerkverbindung 5 absichert. Zwischen der dritten virtuellen Betriebsumgebung 4 und den virtuellen Netzwerkverbindungen 5 bzw. 8 ist jeweils eine Firewall 17 zwischengeschaltet, die von der dritten virtuellen Betriebsumgebung 4 gesteuert wird und diese gegen unerlaubte Verbindungen aus bzw. in die virtuelle Netzwerkverbindung 5 bzw. in das externe Netzwerk zum Gerät 14 hin absichert.The second
Die physische Netzwerk-Schnittstelle 9 ist z.B. eine USB-Schnittstelle, während die physische Netzwerk-Schnittstelle 10 z.B. eine LAN-Schnittstelle des IoT-Computersystems 1 ist. Auf diese Weise sind die zweite und dritte Betriebsumgebung 3, 4 sowohl untereinander als auch über physische Netzwerk-Schnittstellen an ein oder mehrere externe physische Steuer- bzw. Daten-Netzwerke (von und zu den Geräten 13 und 14) angebunden. Diese umfassen ein LAN-Netzwerk, USB-Netzwerk oder ein spezielles Steuerbus-Netzwerk, z.B. zwischen dem Gerät 14 und dem IoT-Computersystem 1. Das Steuerbus-Netzwerk kann z.B. ein MODBUS-Netzwerk umfassen. Auf diese Weise bilden die zweite und dritte virtuelle Betriebsumgebung 3, 4 sowie die Geräte 13 und 14 ein Kommunikationsnetzwerk (Betreibernetzwerk) .The physical network interface 9 is, for example, a USB interface, while the
Eine übergeordnete Steuerung bzw. Konfiguration der einzelnen virtuellen Betriebsumgebungen 2, 3, 4 bzw. der virtuellen Netzwerkverbindungen 5, 6, 7, 8 zwischen den virtuellen Betriebsumgebungen 2, 3, 4 bzw. den externen Geräten 13, 14, 15, 16 erfolgt über ein Basisbetriebssystem (nicht explizit dargestellt) des IoT-Computersystems 1. Das Basisbetriebssystem kann z.B. ein Linux-System mit einem integrierten KVM-System sein. Das Basisbetriebssystem gibt insbesondere eine definierte Konfiguration der virtuellen Netzwerkverbindungen 5, 6, 7, 8 vor. Diese Konfiguration ist vorteilhaft derart fest vorbestimmt, dass sie durch die einzelnen virtuellen Betriebsumgebungen 2, 3, 4 bzw. durch die externen Geräte 13, 14, 15, 16 oder allgemein aus den entsprechenden Netzwerken heraus nicht verändert werden kann. Z.B. wird die Konfiguration der virtuellen Netzwerkverbindungen 5, 6, 7, 8 bei Einrichten bzw. Installation des IoT-Computersystems 1 vorgegeben. Z.B. kann die Konfiguration der virtuellen Netzwerkverbindungen 5, 6, 7, 8 herstellerseitig vorgegeben werden.A higher-level control or configuration of the individual
Vorteilhaft sind Konfigurationsdaten zur Konfiguration der virtuellen Netzwerkverbindungen 5, 6, 7, 8 in einem geschützten Bereich des IoT-Computersystems 1 hinterlegt, wobei der Bereich gegen einen verändernden Zugriff durch die virtuellen Betriebsumgebungen 2, 3, 4 bzw. aus den zugehörigen Kommunikationsnetzwerken von und zu den externen Geräten 13, 14, 15, 16 heraus abgesichert ist. Eine derartige Absicherung kann z.B. durch einen Schreibschutz des geschützten Bereiches erfolgen. Der (Schreib-)Schutz kann derart eingerichtet sein, z.B. durch einen übergeordneten Benutzer (Superuser) vorgegeben werden, so dass der (Schreib- )Schutz nach Einrichten nicht durch Benutzer bzw. Programme oder Applikationen aufgehoben werden kann, die Zugriff/Berechtigungen hinsichtlich der virtuellen Betriebsumgebungen 2, 3, 4 bzw. hinsichtlich der Kommunikationsnetzwerke von und zu den externen Geräten 13, 14, 15, 16 haben. Der geschützte Bereich kann auch durch weitere Sicherheitsmaßnahmen, wie eine Verschlüsselung, Signierung, Authentifizierung über Schlüssel (Credentials), usw. abgesichert sein. Es ist denkbar, dass der geschützte Bereich in einem speziell (physisch und/oder logisch) abgesicherten Speicher(-Bereich) innerhalb des IoT-Computersystems 1 eingerichtet ist.Configuration data for configuring the
Die Konfiguration der virtuellen Netzwerkverbindungen 5, 6, 7, 8 ist derart vorgegeben, dass keine logische Verbindung zwischen der ersten virtuellen Betriebsumgebung 2 und einer der zweiten oder dritten virtuellen Betriebsumgebung 3, 4 besteht. Das bedeutet, dass die erste virtuelle Betriebsumgebung 2 von der zweiten und dritten virtuellen Betriebsumgebung 3, 4 logisch getrennt ist. Es ist kein Verbindungsaufbau in beiden Richtungen zwischen der ersten virtuellen Betriebsumgebung 2 und einer der zweiten oder dritten virtuellen Betriebsumgebung 3, 4 möglich. Dies wird dadurch erzielt, dass kein logischer Netzwerk-Anschluss (Socket) innerhalb der virtuellen Netzwerkverbindungen 5, 6, 7, 8 eingerichtet ist, der eine Verbindung zwischen der ersten virtuellen Betriebsumgebung 2 und einer der zweiten oder dritten virtuellen Betriebsumgebung 3, 4 zulässt. Das bedeutet wiederum, dass auch kein Verbindungsaufbau von einem der externen Geräte 13 und 14 in die erste virtuelle Betriebsumgebung 2 möglich ist bzw. auch kein Verbindungsaufbau von einem der externen Geräte 15 und 16 in eine der zweiten oder dritten virtuellen Betriebsumgebung 3, 4 möglich ist.The configuration of the
Auf diese Weise ist eine Hersteller-Umgebung, realisiert durch die erste virtuelle Betriebsumgebung 2, logisch getrennt von einer Betreiber-Umgebung, gemeinsam realisiert durch die zweite und dritte virtuelle Betriebsumgebung 3, 4. Somit sind vertrauliche bzw. schützenswerte Daten innerhalb der Hersteller-Umgebung logisch separiert und getrennt von Daten innerhalb der Betreiber-Umgebung. Ein autorisierter Benutzer, Gerät, System oder Software-Programm innerhalb der Hersteller-Umgebung hat keine Zugriffsmöglichkeit auf Daten innerhalb der Betreiber-Umgebung und umgekehrt. Ein derartiger Zugriff ist mangels einer definierten bzw. bewusst verhinderten Netzwerkverbindung unterbunden. Die Hersteller-Umgebung kann ausschließlich über die Netzwerkverbindungen 6, 7, 11, 12 mit den Geräten 15, 16 kommunizieren. Die Betreiber-Umgebung kann ausschließlich über die Netzwerkverbindungen 5, 8, 9, 10 mit den Geräten 13, 14 kommunizieren.In this way, a manufacturer environment, implemented by the first
Ein mögliches Anwendungsszenario der dargestellten Anordnung mit dem IoT-Computersystem 1 und den externen Geräten 13, 14, 15, 16 ist z.B. ein Parkplatz-System mit einer Schrankenanlage. Die Webcam 13 erfasst Kennzeichen von Kraftfahrzeugen, die in das Parkplatz-System ein oder ausfahren. Die Bild-Daten der Webcam 13 werden vermittels der Netzwerkverbindung 9 an die zweite virtuelle Betriebsumgebung 3 innerhalb des physischen IoT-Computersystems 1 gesendet. Innerhalb der zweiten virtuellen Betriebsumgebung 3 erfolgt vermittels einer oder mehrerer virtueller Applikationen einer künstlichen Intelligenz (AI) eine Verarbeitung der Bild-Daten der Webcam 13. Dies kann z.B. eine Extraktion von Buchstaben und Zahlen aus den Bild-Daten der Webcam 13 und das Bereitstellen der Buchstaben und Zahlen als Zeichenkette umfassen. Diese Zeichenkette wird vermittels der Netzwerkverbindung 5 der dritten virtuellen Betriebsumgebung 4 innerhalb des physischen IoT-Computersystems 1 übergeben. Innerhalb der dritten virtuellen Betriebsumgebung 4 erfolgt vermittels einer oder mehrerer virtueller Applikationen einer komplexen Datenverarbeitung (CEP) ein Vergleich der Zeichenkette mit hinterlegten Vergleichsmustern. Hier können auch personenbezogene Daten, z.B. Halterdaten des Kraftfahrzeuges, oder auch Uhrzeiten, Zeitstempel, Kreditkartendaten des Halters des Kraftfahrzeuges, usw. ausgewertet werden. Diese Daten können z.B. in einer Datenbank innerhalb der virtuellen Betriebsumgebung 4 gespeichert sein. Auf diese Weise kann ermittelt werden, ob ein Kraftfahrzeug mit dem erfassten Kennzeichen einen erlaubten Zutritt zu dem Parkplatz-System oder eine erlaubte Ausfahrt aus dem Parkplatz-System (z.B. nach einem gültigen Bezahlvorgang, o.ä.) hat.A possible application scenario of the arrangement shown with the IoT computer system 1 and the
Wird dies innerhalb der virtuellen Betriebsumgebung 4 bestätigt, so sendet die virtuelle Betriebsumgebung 4 vermittels der Netzwerkverbindungen 8, 10 ein entsprechendes Steuersignal an die SPS 14, welche wiederum die Schrankenanlage ansteuert, sodass eine Schranke geöffnet wird. Das registrierte Kraftfahrzeug kann dann ein- oder ausfahren.If this is confirmed within the virtual operating environment 4, the virtual operating environment 4 sends a corresponding control signal to the
Unabhängig und logisch getrennt von der zweiten und dritten Betriebsumgebung 3, 4 (Betreiber-Umgebung des Parkplatz-Systems) kann ein Hersteller, z.B. des Schrankensystems oder nur des IoT-Computersystems 1, das im Parkplatz-System des Betreibers eingesetzt wird, innerhalb der Hersteller-Umgebung 2 Telemetrie-Daten des Schrankensystems oder des IoT-Computersystems 1 (z.B. Systemparameter des IoT-Computersystems 1) vermittels des Management-Servers 15 erfassen und auswerten bzw. über den Cloud-Dienst bzw. Cloud-Server 16 erfassen und auswerten. Zumindest innerhalb des IoT-Computersystems 1 kann der Hersteller jedoch keine Verbindung zu Komponenten der virtuellen Betriebsumgebungen 3, 4 aufbauen. Somit erhält der Hersteller keinen Zugriff auf Daten, z.B. Bild-Daten der Webcam 13 oder personenbezogene Daten, z.B. von Haltern der identifizierten Kraftfahrzeuge, innerhalb der virtuellen Betriebsumgebungen 3, 4. Umgekehrt erhält der Betreiber keinen Zugriff auf Daten, z.B. interne Geräte-Daten, Implementierungen, usw. entweder des IoT-Computersystems 1 als solchem bzw. der Geräte 15, 16 und ggf. 14, die in Herstellerhand sind.Independently and logically separated from the second and
Es ist möglich, dass externe Geräte, z.B. die Geräte 14 und 15, über externe Netzwerke außerhalb des IoT-Computersystems 1 Daten austauschen können. Z.B. kann die SPS 14 dem Management-Server 15 Steuerdaten (z.B. Anzahl der Öffnungs- und Schließvorgänge, Fehlersituationen oder Fehlercodes, usw.) der Schrankenanlage zur Verfügung stellen. Diese Steuerdaten können dann vom Management-Server 15 in die virtuelle Betriebsumgebung 2 innerhalb des IoT-Computersystems 1 eingegeben und dort für eine prädiktive Wartung und Überprüfung des Betriebsverhaltens der Schrankenanlage ausgewertet werden. Eine externe Verbindung der Geräte 14 und 15 ist vorteilhaft derart abzusichern bzw. zu implementieren, dass kein ungewollter Bypass oder eine Manipulationsmöglichkeit zwischen den an sich logisch getrennten virtuellen Betriebsumgebungen 3, 4, und der virtuellen Betriebsumgebung 2 entsteht. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass aus den virtuellen Betriebsumgebungen 3, 4 an das Gerät 14 keine zu schützenden Betreiber-Informationen herausgegeben werden, sondern lediglich Steuerdaten. Umgekehrt kann dies z.B. dadurch erreicht werden, dass aus der virtuellen Betriebsumgebung 2 an das Gerät 15 keine zu schützenden Hersteller-Informationen herausgegeben werden, sondern lediglich Steuerdaten. Entsprechende Verbindungen können speziell gegen Manipulationen abgesichert sein, z.B. über die jeweiligen Firewalls 17.It is possible that external devices, such as
Die dargestellte Ausführungsform und das erläuterte Anwendungsszenario sind lediglich beispielhaft gewählt. Es sind vielerlei Ausführungen und Anwendungen denkbar. Insbesondere im industriellen Anlagenumfeld, z.B. bei Windkraft- oder Solaranlagen oder in der industriellen Fertigung und Herstellung von Produkten ergeben sich zahlreiche Anwendungsbeispiele. Der Umfang der Erfindung wird durch die angehängten Ansprüche definiert.The embodiment shown and the application scenario explained are chosen as examples only. Many different designs and applications are conceivable. There are numerous application examples, particularly in the industrial system environment, e.g. in wind power or solar systems or in the industrial production and manufacture of products. The scope of the invention is defined by the appended claims.
In nicht dargestellten Ausführungsformen können auch die virtuellen Betriebsumgebungen 3 und 4 logisch voneinander getrennt sein, um Datenmissbrauch zwischen diesen Betriebsumgebungen vorzubeugen.In embodiments not shown, the
- 11
- IoT-ComputersystemIoT computer system
- 22
- erste virtuelle Betriebsumgebungfirst virtual operating environment
- 33
- zweite virtuelle Betriebsumgebungsecond virtual operating environment
- 44
- dritte virtuelle Betriebsumgebungthird virtual operating environment
- 55
- virtuelle Netzwerkverbindungvirtual network connection
- 66
- virtuelle Netzwerkverbindungvirtual network connection
- 77
- virtuelle Netzwerkverbindungvirtual network connection
- 88th
- virtuelle Netzwerkverbindungvirtual network connection
- 99
- physische Netzwerkverbindungphysical network connection
- 1010
- physische Netzwerkverbindungphysical network connection
- 1111
- physische Netzwerkverbindungphysical network connection
- 1212
- physische Netzwerkverbindungphysical network connection
- 1313
- WebcamWebcam
- 1414
- Speicherprogrammierbare SteuerungProgrammable logic controller
- 1515
- Management-ServerManagement server
- 1616
- Cloud-ServerCloud server
- 1717
- FirewallFirewall
Claims (15)
- Internet-of-Things, IoT, edge computer system, in which a first virtual operational environment (2) and a second virtual operational environment (3) are set up, wherein- the first virtual operative environment (2) is set up as a producer environment for collecting, processing and/or querying system data of the edge computer system itself or of one or more external systems or devices (13, 14, 15, 16) connected to the edge computer system,- the second virtual operational environment (3) is arranged as an operator environment for collecting, processing and/or controlling operational data from or for the one or more external systems or devices (13, 14, 15, 16),- the virtual operational environments (2, 3) are logically separated from each other in such a way that one virtual operational environment (2, 3) has no access to the other virtual operational environment (2, 3),- the virtual operational environments (2, 3) are each logically assigned to a communication network via at least one virtual network connection (5, 6, 7, 8), and- the virtual network connections (5, 6, 7, 8) are configured in such a way that a connection establishment from the communication network assigned to one of the two virtual operational environments (2, 3) to the communication network assigned to the other virtual operational environment (2, 3) is prevented.
- The IoT edge computer system according to claim 1, wherein at least one of the virtual operational environments (2, 3) is linked to at least one physical network interface (9, 10, 11, 12) by means of the at least one virtual network connection (5, 6, 7, 8).
- The IoT edge computer system according to claim 1 or 2, on which a base operating system, in particular a Linux system having a KVM infrastructure, is set up, wherein the configuration of the virtual network connections (5, 6, 7, 8) is predetermined by means of the base operating system.
- The IoT edge computer system according to claim 3, wherein the configuration of the virtual network connections (5, 6, 7, 8) is fixedly predetermined by means of the base operating system and the edge computer system is set up in such a way that changing the configuration of the virtual network connections (5, 6, 7, 8) by the respective virtual operational environments (2, 3) or from a respective communication network is prevented.
- The IoT edge computer system according to claim 4, wherein configuration data for configuring the virtual network connections (5, 6, 7, 8) is stored in a protected, in particular write-protected, area of the edge computer system.
- The IoT edge computer system according to any one of claims 3 to 5, wherein the basic operating system is set up in such a way that a connection establishment in each case from one of the communication networks, in particular from the respective virtual operational environments (2, 3), into the base operating system is prevented.
- The IoT edge computer system according to any one of claims 1 to 6, wherein the virtual operational environments (2, 3) each comprise one or more firewalls (17) which are set up to control a connection establishment from or to a respective virtual operative environment (2, 3) from or into the logically associated communication network.
- The IoT edge computer system according to any one of claims 1 to 7, wherein one or more virtual applications for providing predetermined functionalities are set up within the virtual operative environments (2, 3) in each case.
- The IoT edge computer system according to any one of claims 1 to 8, wherein at least a third virtual operational environment (4) is set up which is logically connected to one of the two virtual operational environments (2, 3).
- The IoT edge computer system according to claim 9, wherein the third virtual operational environment (4) is logically linked to the corresponding one of the two virtual operational environments (2, 3) via at least one virtual network connection (5, 6, 7, 8), in particular a virtual network bridge.
- The IoT edge computer system according to any of claims 1 to 10, wherein- system data comprises the machine data, controlled variables, measured values or parameters, or- the operational data is related to the use of the edge computer system at its place of use and comprises sensor data, control data, plant data, personal data, in particular biometric data, or communication data from or for the one or more external systems or devices (13, 14, 15, 16).
- The IoT edge computer system according to any one of claims 1 to 11, wherein the virtual operational environments (2, 3) are each logically assigned to the communication network via a virtual network bridge.
- An arrangement comprising an IoT edge computer system according to any one of claims 1 to 12 and an external system or device (13, 14, 15, 16) to which the edge computer system is connected, wherein the first virtual operational environment (2) is logically linked to the external system or device (13, 14, 15, 16).
- The arrangement according to claim 13, wherein the external system or device (13, 14, 15, 16) is a sensor, a control device or a processing server or data server, in particular a cloud server.
- The arrangement according to claim 13 or 14, wherein the IoT edge computer system is connected to a further external system or device (13, 14, 15, 16), the second virtual operational environment (3) being logically linked to the further external system or device (13, 14, 15, 16) .
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